PL248314B1

PL248314B1 - Sposób wytwarzania płytek kompozytowych

Info

Publication number: PL248314B1
Application number: PL447337A
Authority: PL
Inventors: Rafał Gołębski; Adam Gnatowski; Krystian Stachowiak
Original assignee: Politechnika Czestochowska
Priority date: 2023-12-28
Filing date: 2023-12-28
Publication date: 2025-11-24
Also published as: PL447337A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania płytek kompozytowych na osnowie polimerowej, z napełniaczem w postaci wiórów na bazie metalicznej o określonej frakcji, z materiałów pochodzących z recyklingu. Sposób wytwarzania płytek kompozytowych z napełniaczem w postaci wiórów na bazie metalicznej oraz osnowy polimerowej polega na tym, że obejmuje etapy: miesza się napełniacz w postaci wiórów mosiądzu oraz osnowę polimerową, przy czym napełniacz w postaci wiórów mosiądzu ma frakcję od 200 do 400 µm w ilości wagowych 90±5%, natomiast osnowa w postaci sproszkowanego tworzywa sztucznego PEEK o frakcji 200 — 500 µm w ilości wagowych 10±5%, przy czym osnowa ma niższą temperaturę topnienia niż napełniacz, a następnie; umieszcza się mieszaninę w gnieździe formy prasowniczej, a następnie; homogenizuje się w temperaturze od 300°C do 400°C oraz pod ciśnieniem od 30 do 50 MPa, przy użyciu prasy, a następnie; zestala się gotowy wyrób z odzwierciedleniem kształtu gniazda formującego w temperaturze od 50°C do 150°C i ciśnieniu od 10 do 15,5 MPa w czasie od momentu uplastycznienia do otrzymania wypraski w czasie od 1500 do 3000 s.

Description

Opis wynalazku

DZIEDZINA TECHNIKI

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania płytek kompozytowych na osnowie polimerowej, z napełniaczem w postaci wiórów na bazie metalicznej o określonej frakcji, z materiałów pochodzących z recyklingu.

STAN TECHNIKI

W technice w coraz większym stopniu używa się materiały pochodzące z szeroko rozumianego recyklingu, aby przywrócić życie produktom, które w innym wypadku należałoby składować lub kosztownie utylizować. Dodatkowo połączenie materiałów o zupełnie różnych właściwościach np. metalu oraz polimerów pochodzących z recyklingu lub przeróbki ropy naftowej może dać nieoczekiwane właściwości dla takich materiałów, w postaci właściwości nie spotykanych w materiałach o strukturze jednorodnej lub też wytwarzanej w sposób klasyczny.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego US4533685A znany jest kompozyt metal - polimer, który jest wytwarzany według sposobu przez dodawanie rozdrobnionego polimeru do sproszkowanego metalu o niskiej temperaturze topnienia mieszany około 20 minut przy obrotach 20 obr/min w temperaturze około 100°C. Mieszaninę umieszczono w okrągłej wnęce formy i formowano tłocznie w temperaturze 180°C pod naciskiem 37 ton przez 10 minut. Następnie formę ochłodzono w temperaturze pokojowej. Uzyskano okrągłą wypraskę kompozytową.

Z kolejnego amerykańskiego zgłoszenia patentowego US3923946A znany jest sztywny materiał kompozytowy na bazie cząstek metalu i spoiwa polimerowego występującego w ilości od 5 do 20% objętościowych, przystosowany do stosowania w produkcji precyzyjnych elementów. Sposób według wynalazku procesu wytwarzania sztywnego kompozytu polega na przygotowaniu jednorodnej mieszaniny cząstek nieporowatego metalu o dużej wytrzymałości mechanicznej i wysokiej ciągliwości oraz organicznego termoutwardzalnego lub termoplastycznego polimeru, który ma wysoką wytrzymałość mechaniczną i silną przyczepność do cząstek metalu w proporcji objętościowej odpowiadającej 5 do 20%, formując powstałą mieszaninę w zamkniętej formie pod ciśnieniem co najmniej dwukrotnie większym od granicy sprężystości metalu, otwierając formę i podgrzewając otrzymaną w ten sposób wypraskę do wystarczająco wysokiej temperatury do stopienia i ewentualnie polimeryzacji spoiwa plastycznego, a następnie ochłodzenia.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL202829 sposób wytwarzania kompozytów o dużej gęstości polegający na mieszaniu, łączeniu proszku wolframu lub proszków odzyskanych z rozdrobnionych wolframowych węglików spiekanych lub wolframowych stopów ciężkich z tworzywami sztucznymi. Wytwarzanie wyrobów z kompozytu o osnowie tworzywa termoutwardzanego odbywa się przez prasowanie na gorąco mieszaniny lub granulatu o składzie kompozytu przy ciśnieniu 7 MPa i temperaturze 160°C w czasie 1 min/1 mm grubości wyrobu.

Z kolejnego polskiego opisu patentowego PL238752 znany jest sposób wytwarzania metalicznopolimerowych wyprasek kompozytowych, który polega na zmieszaniu metalicznego napełniacza w postaci proszku o frakcji od 20 μm do 100 μm, pochodzącego z przemiału zużytych wyrobów metalowych w ilości od 98 do 99,5% wag. z 0,5 do 2% wag. osnowy polimerowej w postaci suspensyjnego polichlorku winylu, przy czym homogenizację składników w gnieździe formy prasowniczej prowadzi się w temperaturze 160°C pod działaniem ciśnienia 200 MPa w czasie 900 sekund.

Dotychczasowe rozwiązania nie pozwalają na wykorzystanie wysokotemperaturowego tworzywa termoplastycznego w postaci zastosowanego, przygotowanego odpadu polimerowego w proszku, z napełniaczem w postaci wiórów mosiądzu pochodzących z procesu obróbki skrawaniem i przygotowanych według odpowiedniej procedury do procesu prasowania, przy czym według wynalazku otrzymuje się płytki kompozytowe o parametrach spełniających możliwość zastosowania technologii obróbki frezarskiej CNC.

UJAWNIENIE WYNALAZKU

Problemem technicznym rozwiązywanym przez wynalazek jest produkcja materiału kompozytowego na bazie surowców recyklingowanych w postaci wiórów po obróbce skrawaniem oraz osnowy polimerowej.

W świetle opisanego stanu techniki celem niniejszego wynalazku jest przezwyciężenie wskazanych niedogodności i opracowanie procesu wytworzenia półfabrykatu przeznaczonego do obróbki skra waniem z metalicznego materiału pochodzącego z recyklingu, odpadowego w postaci wiórów, z dodatkiem jako osnowy materiału polimerowego w postaci proszku, umożliwiającego uzyskanie wyrobu o podwyższonych właściwościach mechanicznych oraz termicznych, przeznaczonego do wytwarzania wyrobów metodą obróbki skrawaniem. Materiał stosowany do wytworzenia płytek kompozytowych stanowią metal i polimer pochodzące z firm zajmujących się składowaniem, utylizacją i recyklingiem materiałów odpadowych z przemysłu metalowego, maszyn i urządzeń, energetycznego i przetwórstwa polimerów.

Sposób wytwarzania płytek kompozytowych z napełniaczem w postaci wiórów na bazie metalicznej oraz osnowy polimerowej charakteryzuje się tym, że obejmuje etapy:

— miesza się napełniacz w postaci wiórów mosiądzu oraz osnowę polimerową, przy czym napełniacz w postaci wiórów mosiądzu ma frakcję od 200 do 400 μm w ilości wagowych 90±5%, natomiast osnowa w postaci sproszkowanego tworzywa sztucznego PEEK o frakcji 200-500 μm w ilości wagowych 10±5%, przy czym osnowa ma niższą temperaturę topnienia niż napełniacz, a następnie;

— umieszcza się mieszaninę w gnieździe formy prasowniczej, a następnie;

— homogenizuje się w temperaturze od 300 do 400°C oraz pod ciśnieniem od 30 do 50 MPa, przy użyciu prasy, a następnie;

— zestala się gotowy wyrób z odzwierciedleniem kształtu gniazda formującego w temperaturze od 50 do 150°C i ciśnieniu od 10 do 15,5 MPa w czasie od momentu uplastycznienia do otrzymania wypraski w czasie od 1500 do 3000 s.

Korzystnie, przed procesem mieszania, przesiewa się lub sproszkowuje się osnowę lub napełniacz.

Zaletą zastosowanego rozwiązania jest wykorzystanie materiałów pochodzących z recyklingu np. wiórów metalowych mosiądzu o frakcji od 200 do 400 μm jako odpad z obróbki skrawaniem wyrobów metalowych.

Kolejną zaletą jest połączenie właściwości wiórów metalowych z osnową polimerową w postaci sproszkowanego tworzywa sztucznego PEEK o frakcji 200-500 μm, posiadającego temperaturę topnienia niższą niż temperatura topnienia napełniacza.

Niewątpliwą zaletą jest możliwość homogenizowania materiału w temperaturach 300-400°C oraz wywarcie ciśnienia o wartości 46 MPa przy użyciu prasy i zestaleniu gotowego wyrobu odzwierciedlającego kształt gniazda formującego w temperaturze 100°C i przy ciśnieniu 15,5 MPa.

Dużą zaletą jest możliwość wytworzenia płyty kompozytowej, która stanowić może prefabrykat dowolnego kształtu, może być poddawana obróbce skrawaniem - frezowaniem CNC, mającej na celu wytworzenie gotowego wyrobu o określonym kształcie.

Kolejną zaletą jest, iż opracowany skład i parametry wytworzenia kompozytu (napełniacz osnowa) gwarantuje przeprowadzenie obróbki skrawaniem wytworzonej płytki metodą obróbki skrawaniem z zastosowaniem technologii obróbki frezarskiej CNC przy użyciu narzędzi monolitycznych lub składanych z ostrzami z węglika spiekanego.

Zasadniczą zaletą jest możliwość wytwarzania płytek kompozytowych metodą prasowania z możliwością ich obróbki skrawaniem, posiadających dobre właściwości termomechaniczne, amortyzujące, sztywność, odporność na korozję oraz mniejszy ciężar w stosunku do wyrobów metalowych o tych samych wymiarach i łatwą skrawalność. Opracowany sposób wytwarzania kompozytowych płytek zapewnia łatwe i tanie uzyskanie wyrobu o dowolnych parametrach geometrycznych, z użyciem materiału metalicznego i polimerowego z recyklingu, nadającego się do bezpośredniego zastosowania jako elementy maszyn oraz urządzeń, w przemyśle maszynowym, motoryzacyjnym, zwłaszcza do wytwarzania elementów urządzeń mechanicznych w zastosowaniach przemysłowych i urządzeń wykorzystywanych w różnych gałęziach przemysłu i przeznaczonych do różnego typu zastosowań.

SPOSOBY WYKONANIA WYNALAZKU

Poniższe przykłady ilustrują wynalazek, nie ograniczając go w żaden sposób.

Przykład 1. Sposób wytwarzania płytek kompozytowych z napełniaczem w postaci wiórów na bazie metalicznej oraz osnowy polimerowej.

Za pomocą sposobu według wynalazku wytwarza się wypraski prasownicze w kształcie płyty sześciennej, a następnie stosuje się do obróbki skrawaniem. Jako osnowy polimerowej do wytworzenia kompozytu używa się polyetheretherketon (PEEK) posiadającego temperaturę topnienia niższą niż temperatura topnienia napełniacza. Jako napełniacz stosuje się wióry mosiądzu (MO58 / CuZn40Pb2) jako odpad z obróbki skrawaniem, przesiewa się na sitach z użyciem wytrząsarki oscylacyjnej. Uzyskany w ten sposób napełniacz do dalszego procesu w postaci wiórów o frakcji od 200 do 400 μm w ilości 90% wag. miesza się mechanicznie w mieszarce bębnowej z 10% wag. osnowy polimerowej w postaci proszku polimeru PEEK o frakcji 200-500 μm. Następnie uzyskaną w mieszarce bębnowej ujednorodnioną mieszaninę zasypuje się do formy prasowniczej.

W układzie formy ze stemplem pod ciśnieniem 46 MPa używa się prasy, po czym homogenizuje się w stanie plastyczno - płynnym osnowy polimerowej składników w temperaturze poniżej wartości temperatury topnienia metalu. W procesie używa się układ grzejny formy ze względu na walcową konstrukcję sprzężony z układem pomiarowym zapewnia jednorodny rozkład temperatury do wartości 355°C. W wyniku procesu uzyskuje się półwyroby kompozytowe w postaci wyprasek prasowniczych o wymiarach 80 x 80 x 10 mm. Półwyroby uzyskuje się od momentu uplastycznienia do momentu otrzymania wypraski w temperaturze 100°C i ciśnieniu 15,5 MPa, w czasie 1500 s. Wykonuje się wypraski kompozytowe zawierający 90% wagowo napełniacza w postaci wiórów mosiądzu. Uzyskuje się półwyrób kompozytowy, który posiada dużą jednorodność i zmniejszoną masę w porównaniu z materiałami metalowymi stosowanymi powszechnie do wytwarzania wyrobów metodą obróbki skrawaniem, dobre właściwości użytkowe, w tym termomechaniczne, dobrą odporność na wibracje, izolacyjność cieplną, zwiększoną odporności na wilgoć i korozję. W procesie wykorzystuje się napełniacz w postaci wiórów mosiądzu, który stanowi odpad powstały w procesie obróbki skrawaniem metali, a osnowa polimerowa również stanowi odpad lub recyklat.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania płytek kompozytowych z napełniaczem w postaci wiórów na bazie metalicznej oraz osnowy polimerowej, znamienny tym, że obejmuje etapy:

- - miesza się napełniacz w postaci wiórów mosiądzu oraz osnowę polimerową, przy czym napełniacz w postaci wiórów mosiądzu ma frakcję od 200 do 400 μm w ilości wagowych 90±5%, natomiast osnowa w postaci sproszkowanego tworzywa sztucznego PEEK o frakcji 200500 μm w ilości wagowych 10±5%, przy czym osnowa ma niższą temperaturę topnienia niż napełniacz, a następnie;

— umieszcza się mieszaninę w gnieździe formy prasowniczej, a następnie;

- - homogenizuje się w temperaturze od 300 do 400°C oraz pod ciśnieniem od 30 do 50 MPa, przy użyciu prasy, a następnie;

— zestala się gotowy wyrób z odzwierciedleniem kształtu gniazda formującego w temperaturze od 50 do 150°C i ciśnieniu od 10 do 15,5 MPa w czasie od momentu uplastycznienia do otrzymania wypraski w czasie od 1500 do 3000 s.
2. Sposób wytwarzania płytek kompozytowych, znamienny tym, że przed procesem mieszania, przesiewa się lub sproszkowuje się osnowę lub napełniacz.